水轮发电机模糊调速系统研究.doc

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1、电 子 科 技 大 学毕 业 实 践 报 告报告题目： 水轮发电机模糊调速系统研究 学习中心（或办学单位）：汉沽电大指导老师：李建华 职 称： 教授 学生姓名：李全有 学 号: 201003696293专 业：电力系统及其自动化电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2011年09月 23日电子科技大学毕业实践报告任务书及进度计划表学习中心（办学单位）汉沽电大姓名李全友学号201003696293专业电力系统及其自动化指导教师李建华职称教授毕业实践题目水轮发电机模糊调速系统研究主要任务与要求本次学习让我学到了很多专业知识，对电力系统及其自动化专业有更深的理解，对相关知识有了进一步的认知并在工作中

2、运用到这些知识，它们使我提高了解决问题的能力及专业技能。起讫日期及进度安排起讫日期：2011年9月23日进度安排：2011.09.212011.10.08 毕业论文申请及选题2011.10.132011.10.25 起草并提交开题报告2011.10.252011.11.18 写作并提交论文初稿2011.11.182011.12.16 写作并提交论文终稿 指导教师签字： 年 月 日电子科技大学毕业实践报告指导记录表学习中心（办学单位）汉沽电大姓 名李全有学 号201003696293专 业电力系统及其自动化题 目水轮发电机模糊调速系统研究指导教师李建华职 称教授第一次指导存在的问题：修改建议：指

3、导方式：（请在内打） 面谈 电话 电子邮件指导教师签字： 日期： 年 月 日第二次指导存在的问题：修改建议：指导方式：（请在内打） 面谈 电话 电子邮件指导教师签字： 日期： 年 月 日第第三次指导存在的问题：修改建议：指导方式：（请在内打） 面谈 电话 电子邮件指导教师签字： 日期： 年 月 日第第四次指导存在的问题：修改建议：指导方式：（请在内打） 面谈 电话 电子邮件指导教师签字： 日期： 年 月 日第五次指导存在的问题：修改建议：指导方式：（请在内打） 面谈 电话 电子邮件指导教师签字： 日期： 年 月 日电子科技大学毕业实践报告 水轮发电机模糊调速系统研究电子科技大学毕业实践成绩评定

4、表学习中心（办学单位）姓名学号专业指导老师职 称题目指导教师综合评分（满分100分）评审小组最终评定成绩（满分100分）评定等级（优秀、良好、中等、及格、不及格）指导教师意见 签名：评审小组意见 评审组长签名：学校意见 签名（盖章）：目录1 引言42水轮机组的特性42.1对水轮机组特性的描述42.1 附加PSS的励磁调节系统模型的建立.42.2.1水轮机 .42.2.2 压力引水系统.52.2.3 发电机及负荷系统.62.2.4 随动系统 .63 模糊控制 63.1模糊控制基础 .63.1.1模糊控制基本思想.63.1.2模糊控制的特点.73.2模糊控制器的基本理论.73.2.1 模糊控制器的

5、基本结构. 73.2.2 模糊化83.2.3 精确化.93.2.4 模糊控制理论研究现状.94PID控制器.104.1 PID控制器 104.1.1 PID控制器104.1.2 理论.104.1.3 PID控制器的调试方法.114.1.4 PID控制器的参数整定.115比例因子自调整模糊PID控制系统结构和参整定125.1模糊PID控制系统的结构125.2模糊控制器对PID参数KP、KI、KD的整定原则.125.3系统各部分的具体设计125.3.1各变量隶属函数的确定125.3.2建立模糊控制器的控制规则表135.4模糊控制器量化因子的确定146系统仿真147结语15致谢16参考文献17关于水

6、轮发电机模糊调速系统研究的设计实践报告摘要 本文主要针对水轮机模糊调速系统进行研究，通过对水轮机组特性分析，模糊控制理论分析及其发展现状分析，PID控制器的研究提出模糊PID控制。针对PID模糊控制，对其结构以及参数整定进行运算研究并进行仿真。关键词 水轮机 模糊控制 PID第一章 引言水力资源是清洁无污染的可再生能源,水力发电机组是将水力资源转换成电能的设备。水轮机调节系统是水力发电机组的重要组成部分,主要完成对机组输出频率的调节,其调节性能的优劣直接关系到电网的电能质量。水轮机调节系统是典型的时变、非最小相位、非线性的复杂系统。目前,国内外仍较多采用传统的PID控制策略来完成对水轮机调节系

7、统的控制,但是,对于这类复杂的系统,传统的PID控制策略由于采用固定参数来完成控制,难以保证在不同工况下都取得良好的控制效果。为此，本人提出了水轮发电机模糊调速系统的设计研究实践报告。在这探讨模糊PID控制。模糊控制根据专家经验利用模糊技术对kP、kI、kD进行在线调整可以一定程度上提高PID控制器的适应性、鲁棒性。第二章 水轮机组的特性第一节 对水轮机组特性的描述水轮发电机组的调节系统主要由调速器、随动系统、压力引水系统、导叶、水轮机及负荷组成,如图2.1所示。 图2.1 水轮发电机组调节系统第二节 水轮发电机系统各环节简化的动态特性2.2.1水轮机由参考文献3可知,对于混流式水轮机,其动态

8、特性可表达为：Mt=Mt(H,n,a) Qt=Qt(H,n,a) (1)式中 Mt水力矩Qt流量H水头n转速a导叶开度将对应于Mt、Qt、H、n、a的相对偏差量分别记为mt、qt、x和S,由(1)式可得mt=mt(h,x,S)qt=qt(h,x,S) (2)在波动较小时,可将(2)式在工作点附近展开为泰勒级数,并略去含二阶以上各阶导数项,能得到如下的6系数水轮机动态特性表达式mt=ehh+exx+eqt=qqhh+eqxx+eq (3)由于导叶开度a与主接力器行程yh有渐近线性关系=kyh,令ey=ke,eqy=keq,则(3)式变为mt=ehh+exx+eyyhqt=qqhh+eqxx+eq

9、yyh (4)式中:eh= mt/ h, ex= mt/ x, ey= mt/ yh, eqh= qt/ h, eqx= qt/ x, eqy= qt/ yh (5)2.2.2 压力引水系统: h=-Twdqtdt (6)式中 Tw压力引水系统水流惯性时间常数2.2.3 发电机及负荷系统: Tadxdt+egx=mt-mg0(7)式中,Ta是机组惯性时间常数与负荷时间常数之和,mg0是由于系统用户投入或切除引起的负荷力矩变化,它与系统频率变化无关,一般把它看成扰动量,eg是发电机负荷自调节系数,表示由系统频率变化引起的负荷波动。2.2.4 随动系统Tydytdt+yh=u (8)式中 Ty随动

10、系统的时间常数通过对水轮机各个环节分析运算得到如下的水轮机调节系统的线性化传递函数如图2.2.4： 图2.2.4第三章 模糊控制第一节 模糊控制基础3.1.1模糊控制基本思想 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器(Fuzzy Controller，即FC)获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点:模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 从工业过程的定

11、性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。3.1.2 模糊控制的特点 简化系统设

12、计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。 利用控制法则来描述系统变量间的关系。 不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。 模糊控制器是一语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言自然语言进行人机对话。 模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的适应性及强健性(Robustness)、较佳的容错性(Fault Tolerance)。第二节 模糊控制器的基本理论3.2.1 模糊控制器的基本结构如下图所示,模糊控制器的基本结构包括知识库，模糊推理，输入量模糊化、输出量精确化四部分。图3.2.1 模糊控制器的基本结构3.

13、2.2 模糊化 将精确的输入量转化为模糊量F有两种方法: (1)将精确量转换为标准论域上的模糊单点集。精确量x经对应关系G转换为标准论域x上的基本元素,则该元素的模糊单点集F为 uF(u)=1 if u=G(x) (2)将精确量转换为标准论域上的模糊子集。 精确量经对应关系转换为标准论域上的基本元素,在该元素上具有最大隶属度的模糊子集,即为该精确量对应的模糊子集。 （3）模糊推理最基本的模糊推理形式为：前提1IF A THEN B 前提2IF A 结论THEN B 其中,A、A为论域U上的模糊子集,B、B为论域V上的模糊子集。前提1称为模糊蕴涵关系,记为AB。在实际应用中,一般先针对各条规则进

14、行推理,然后将各个推理结果总合而得到最终推理结果。 3.2.3 精确化 推理得到的模糊子集要转换为精确值,以得到最终控制量输出y。目前常用两种精确化方法:1)最大隶属度法。在推理得到的模糊子集中,选取隶属度最大的标准论域元素的平均值作为精确化结果。 2)重心法。将推理得到的模糊子集的隶属函数与横坐标所围面积的重心所对应的标准论域元素作为精确化结果。 在得到推理结果精确值之后,还应按对应关系,得到最终控制量输出y。 3.2.4 模糊控制理论研究现状 管模糊控制理论已经取得了可观的进展,但与常规控制理论相比仍不成熟。模糊控制系统的分析和设计尚未建立起有效的方法,在很多场合下仍然需要依靠经验和试凑。

15、近年来,许多人一直尝试将常规控制理论的概念和方法扩展至模糊控制系统,而模糊控制与神经网络相结合的方法已成为研究的热点,二者的结合有效地推动了自学习模糊控制的发展。 控制易于获得由语言表达的专家知识,能有效地控制那些难以建立精确模型而凭经验可控制的系统,而神经网络则由于其仿生特性更能有效利用系统本身的信息,并能映射任意函数关系,具有并行处理和自学习能力,容错能力也很强。在集成大系统中,神经网络可用于处理低层感知数据,模糊逻辑可用于描述高层的逻辑框架。模糊逻辑与神经网络的结合有两种情况:一是将模糊技术用于神经网络形成模糊神经网络,一是用神经网络实现模糊控制。这两方面均见于大量的研究文献。常规模糊控

16、制的两个主要问题在于:改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。从大量文献中可以看出,在实际应用中,往住是将模糊控制或模糊推理的思想,与其他相对成熟的控制理论或方法结合起来,发挥各自的长处,从而获得理想的控制效果。 如:利用模糊复合控制理论的分档控制,将PI或PID控制策略引入Fuzzy控制器,构成Fuzzy-PI或Fuzzy-PID复合控制;适应高阶系统模糊控制需要的三维模糊控制器;将精确控制和模糊控制结合起来的精确模糊混合控制;将预测控制与模糊控制相结合,利用预测模型对控制结果进行预报,并根据目标误差和操作者的经验应用模糊决策方法在线修正控制策略的模糊预测控制等。 模糊控制的发展过程中,提

17、出了多种自组织、自学习、自适应模糊控制器。它们根据被控过程的特性和系统参数的变化,自动生成或调整模糊控制器的规则和参数,达到控制目的。这类模糊控制器在实现人的控制策略基础上,又进一步将人的学习和适应能力引入控制器,使模糊控制具有更高的智能性。自校正模糊控制器、参数自调整模糊控制等控制方法也都较大地增强了对环境变化的适应能力。 模糊控制与其他智能控制方法的结合组成的模糊控制,如专家模糊控制能够表达和利用控制复杂过程和对象所需的启发式知识,重视知识的多层次和分类的需要,弥补了模糊控制器结构过于简单、规则比较单一的缺陷,赋予了模糊控制更高的智能。 二者的结合还能够拥有过程控制复杂的知识,并能够在更为

18、复杂的情况下对这些知识加以有效利用。 基于神经网络的模糊控制能够实现局部或全部的模糊逻辑控制功能。 模糊控制器正向着自适应、自组织、自学习方向发展,使得模糊控制参数、规则在控制过程中自动地调整、修改和完善,从而不断完善系统的控制性能,达到更好的控制效果,而与专家系统、神经网络等其他智能控制技术相融合成为其发展趋势。 第四章 PID控制器 第一节 PID控制器4.1.1 PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 图4.1.1 PID控制器组成原理图

19、PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。4.1.2 理论PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是： 比例-

20、 来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10C，它的预定值是20C。那么它在10C的时候会输出100%，在15C的时候会输出50%，在19C的时候输出10，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。 积分 - 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠

21、正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。 导数 - 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。 用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远

22、无法达到预设值。4.1.3 PID控制器的调试方法比例系数的调节比例系数P的调节范围一般是：0.1-100. 如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值。可见该值越大，比例产生的增益作用越大。初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数。过大的P值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。 积分系数的调节积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。积分时间设为 1秒，则输出变

23、化 100%所需时间为 1 秒。初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。 微分系数的调节微分值是偏差值的变化率。例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。4.1.4 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时

24、间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法

25、进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。第五章 比例因子自调整模糊PID控制系统结构和参整定 第一节 模糊PID控制系统的结构模糊PID控制系统的结构图如图4。图中e、ec分别为误差和误差的变化率。模糊控制器主要用来对PID控制器三个参数KP、KI、KD进行调整改善控制效果。 图5.1模糊PID控制系统的结构图第二节 模糊控制器对PID参数KP、KI、KD的整定原则模糊控制器根据e的绝对值

26、|e|和ec的绝对值|ec|对KP、KI、KD进行在线调整，归纳了不同的|e|和|ec|对于KP、KI、KD的影响。当|e|较大时,应当取较大的KP和较小的KD,为了防止出现振荡应取KI=0，当|e|中等大小时,为防止较大超调,应适当减小KP,KD对系统的影响，较大可适当加大一点。当|e|很小时,为了提高稳态精度,可以加大KI，|ec|较小时KD取较大,|ec|较大时KD取较小。第三节 系统各部分的具体设计5.3.1各变量隶属函数的确定用于对PID参数控制的模糊控制器采用两输入三输出的形式。该模糊控制器以|e|和|ec|为输入语言变量,以KP、KI和KD为输出语言变量.各语言变量的语言值均取为

27、“大”0(B)、：“中”0 (M)、“小”0(S)、“零”0(Z)四种相应的隶属函数曲线如下图所示。 图5.3.1四种相应的隶属函数曲线图5.3.2建立模糊控制器的控制规则表根据PID参数的整定原则及专家经验,可得KP、KI、KD的整定规则如下表所示。eceZSMBZZSMBSBBMBMBBMBBMMSS 表5-1 KP的整定规表eceZSMBZBMZZSBMZZMBBSZBBMSZ 表5-2 KI的整定规则表 ece ZSMBZZSMBSZSMBMZSMBBZZMS 表5-3 KD的整定规则表第四节 模糊控制器量化因子的确定设误差的基本论域为-em,em,误差变化率的基本论域为-ecm,ec

28、m,误差和误差变化率量化等级分别为n、m,则误差的量化因子为e=n/|em|,误差变化率量化因子为ec=m/|ecm|。em和ecm应视不同工况而定。 第六章 系统仿真由前述知水轮机调速器的传递函数可设定为运用matlab6中simulink可进行仿真。对比以上对两种控制方式进行仿真的结果可以看出,模糊PID控制的效果要优于一般的PID控制。模糊PID控制有效的提高了系统响应的快速性,减小了超调量、系统的稳态精度和鲁棒性也有所提高。 图6-1 仿真图第七章 结语模糊PID控制是根据PID控制器的三个参数与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模

29、糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。就我的理解而言，它最终还是一个PID控制器，但是因为参数可自动调整的缘故，所以也能解决不少一般的非线性问题，但是假如系统的非线性、不确定性很严重时，那模糊PID的控制效果就会不理想。而且模糊PID控制的规则还是较复杂的，隶属度函数的选定也得靠经验。同时在实际应用中模糊PID控制是否可以保证在不同工况下都取得良好的控制效果，有待继续考证。模糊控制是否可有与之结合的系统可两两结合用于控制系统的PID控制而把模糊PID控制作用发挥最大化。这还有待进一步研究。致谢 在这两个多月的时间里，李建华老师给了我大量的论文相关资料，并在百忙之中

30、耐心地给予指导，帮助我顺利地完成了毕业设计论文。李建华老师的为人师表以及对学术的认真负责给我留下了深刻的印象，使我受益良多。在此特别对李建华老师表示真诚的感谢。 参考文献1沈祖诒.水轮机调节M.北京:水利水电出版社,1998.2沈祖诒.水轮机调节系统分析M.北京:水利电力出版社,1996.3王定一.水电厂计算机监视与控制M.北京:中国电力出版社,2001.4魏守平.正交试验方法与最优参数选择J.水电设备,1984,(3):.5魏守平,卢本捷.水轮机调速器的PID调节规律J.水力发电学报,2003,(4):6林富华,沈恩源,林建亚,等.模糊PID技术在水轮机调节系统中的应用J.动力工程,1996

31、,(2).7俞亚新,金波.一种模糊变系数PID控制器及其在水轮机调速器中的应用J.中国机械工程,2007,(8).8刘建业,郑玉森,张炳达.水轮机模糊调速器研究J.控制理论与应用,1996,(1).9常黎,龚飚.基于模糊PID控制的水轮机调速器研究J.华中科技大学学报,2001,(11).10梁宏柱,叶鲁卿,孟安波.参数自适应模糊PID控制器及其在水电机组调速器中的应用J.水电自动化与大坝监测,2003,(6).11方红庆,沈祖诒.基于改进粒子群算法的水轮发电机组PID调速器参数优化J.中国电机工程学报,2005,(11).12K.J.奥斯特隆姆,B.威顿马克.自适应控制M.李清泉译.北京:科

32、学出版社,1992.13王伯林.水轮发电机组的模型参考自适应控制J.自动化学报,1987,(6).14王伯林.水轮发电机组转速自适应控制J.水力发电学报,1989,(4).15陈光大,刘炳文.基于测试系统频率特性的自适应水轮机调速器J.水力发电学报,1993,(2).16蔡维由,陈光大,刘炳文.水轮机调速器的极点配置法设计及自适应控制J.大电机技术,1995,(6)17孟佐宏,蔡维由,陈光大,等.水轮机调节系统最优鲁棒极点配置调速器的设计J.大电机技术.2000,(4). 18梁宏柱,叶鲁卿.参数自适应模糊PID控制器及其在水电机组调速器中的应用J.水电自动化与大坝监测,2003,(6). 17